JP7394873B2 - 圧電フィルム - Google Patents
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Description
特許文献1に開示される圧電フィルムは、常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体(圧電体層)と、高分子複合圧電体の両面に形成された電極層と、電極層の表面に形成された保護層とを有するものである。また、特許文献1に開示される圧電フィルムは、高分子複合圧電体をX線回折法で評価した際の、圧電体粒子に由来する(002)面ピーク強度と(200)面ピーク強度との強度比率α1=(002)面ピーク強度/((002)面ピーク強度+(200)面ピーク強度)が、0.6以上1未満であるという特徴を有する。
そのため、圧電フィルムの端部(切断面)において、圧電体層の両面の電極がショートし易く、圧電フィルムが適正に動作しなくなってしまう場合がある。
[1] 高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む圧電体層と、圧電体層の両面に設けられる電極層とを有する、カットシート状の圧電フィルムであって、
端部における電極層の厚さ方向の距離が、圧電体層の厚さに対して40%以上であることを特徴とする圧電フィルム。
[2] 電極層の少なくとも一方を覆う保護層を有する、[1]に記載の圧電フィルム。
[3] 端部における電極層の厚さ方向の距離が、圧電体層の厚さに対して95%以下である、[1]または[2]に記載の圧電フィルム。
[4] 高分子材料がシアノエチル基を有する、[1]~[3]のいずれかに記載の圧電フィルム。
[5] 高分子材料がシアノエチル化ポリビニルアルコールである、[4]に記載の圧電フィルム。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に制限されるものではない。また、以下に示す図は、いずれも、本発明を説明するための概念的な図であって、各層の厚さ、構成部材の大きさ、および、構成部材の位置関係等は、実際の物とは異なる。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本発明の圧電フィルムは、好ましくは一方の電極層を覆って、より好ましくは両方の電極層を覆って、保護層を有する。
電気音響変換器は、圧電フィルムへの電圧印加によって、圧電フィルムが面方向に伸長すると、この伸長分を吸収するために、圧電フィルムが、上方(音の放射方向)に移動し、逆に、圧電フィルムへの電圧印加によって、圧電フィルムが面方向に収縮すると、この収縮分を吸収するために、圧電フィルムが、下方に移動する。
電気音響変換器は、この圧電フィルムの伸縮の繰り返しによる振動により、振動(音)と電気信号とを変換するものであり、圧電フィルムに電気信号を入力して電気信号に応じた振動により音を再生したり、音波を受けることによる圧電フィルムの振動を電気信号に変換したり、振動による触感付与および物体の輸送等に利用される。
具体的には、圧電フィルムの用途としては、フルレンジスピーカー、ツイーター、スコーカーおよびウーハーなどのスピーカー、ヘッドホン用スピーカー、ノイズキャンセラー、マイクロフォン、ならびに、ギターなどの楽器に用いられるピックアップ(楽器用センサー)等、各種の音響デバイスが挙げられる。また、本発明の圧電フィルムは非磁性体であるため、ノイズキャンセラーのなかでもMRI用ノイズキャンセラーとして好適に用いることが可能である。
また、本発明の圧電フィルムを利用する電気音響変換器は薄く、軽く、曲がるため、帽子、マフラーおよび衣服といったウェアラブル製品、テレビおよびデジタルサイネージなどの薄型ディスプレイ、ならびに、音響機器等としての機能を有する建築物、自動車の天井、カーテン、傘、壁紙、窓およびベッドなどに好適に利用される。
図1に示す圧電フィルム10は、圧電体層12と、圧電体層12の一方の面に積層される第1電極層14と、第1電極層14に積層される第1保護層18と、圧電体層12の他方の面に積層される第2電極層16と、第2電極層16に積層される第2保護層20と、を有する。
本発明の圧電フィルム10は、例えば、ロール・トゥ・ロールによって作製された長尺な圧電フィルム、または、大判の圧電フィルムから、所望の形状に切り出された、カットシート状(枚葉紙状)のフィルムである。従って、圧電フィルム10の端面は、切断面である。
(i) 可撓性
例えば、携帯用として新聞および雑誌等のように書類感覚で緩く撓めた状態で把持する場合、絶えず外部から、数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けることになる。この時、高分子複合圧電体が硬いと、その分、大きな曲げ応力が発生し、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生し、やがて破壊に繋がる恐れがある。従って、高分子複合圧電体には適度な柔らかさが求められる。また、歪みエネルギーを熱として外部へ拡散できれば応力を緩和することができる。従って、高分子複合圧電体の損失正接が適度に大きいことが求められる。
(ii) 音質
スピーカーは、20Hz~20kHzのオーディオ帯域の周波数で圧電体粒子を振動させ、その振動エネルギーによって振動板(高分子複合圧電体)全体が一体となって振動することで音が再生される。従って、振動エネルギーの伝達効率を高めるために高分子複合圧電体には適度な硬さが求められる。また、スピーカーの周波数特性が平滑であれば、曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくなる。従って、高分子複合圧電体の損失正接は適度に大きいことが求められる。
このとき、圧電フィルムの湾曲程度すなわち湾曲部の曲率半径が大きくなるほど機械的なスチフネスsが下がるため、最低共振周波数f0は小さくなる。すなわち、圧電フィルムの曲率半径によってスピーカーの音質(音量、周波数特性)が変わることになる。
高分子複合圧電体(圧電体層12)において、ガラス転移点が常温にある高分子材料、言い換えると、常温で粘弾性を有する高分子材料をマトリックスに用いることで、20Hz~20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の遅い振動に対しては柔らかく振舞う高分子複合圧電体が実現する。特に、この振舞いが好適に発現する等の点で、周波数1Hzでのガラス転移点Tgが常温にある高分子材料を、高分子複合圧電体のマトリックスに用いるのが好ましい。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に、最大曲げモーメント部における高分子マトリックス/圧電体粒子界面の応力集中が緩和され、高い可撓性が期待できる。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に発生する曲げモーメントが低減できると同時に、20Hz~20kHzの音響振動に対しては硬く振る舞うことができる。
しかしながら、その反面、良好な耐湿性の確保等を考慮すると、高分子材料は、比誘電率が25℃において10以下であるのも、好適である。
また、これらの高分子材料としては、ハイブラー5127(クラレ社製)などの市販品も、好適に利用可能である。
以下の説明では、シアノエチル化PVAを代表とする上述の高分子材料を、まとめて『常温で粘弾性を有する高分子材料』とも言う。
すなわち、高分子複合圧電体を構成するマトリックス24には、誘電特性および機械的特性などの調節等を目的として、上述した常温で粘弾性を有する高分子材料に加え、必要に応じて、その他の誘電性高分子材料を添加しても良い。
中でも、シアノエチル基を有する高分子材料は、好適に利用される。
また、圧電体層12のマトリックス24において、これらの誘電性高分子材料は、1種に制限はされず、複数種を添加してもよい。
さらに、粘着性を向上する目的で、ロジンエステル、ロジン、テルペン、テルペンフェノール、および、石油樹脂等の粘着付与剤を添加しても良い。
これにより、マトリックス24における粘弾性緩和機構を損なうことなく、添加する高分子材料の特性を発現できるため、高誘電率化、耐熱性の向上、圧電体粒子26および電極層との密着性向上等の点で好ましい結果を得ることができる。
圧電体粒子26は、好ましくは、ペロブスカイト型またはウルツ鉱型の結晶構造を有するセラミックス粒子からなるものである。
圧電体粒子26を構成するセラミックス粒子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛(PLZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、および、チタン酸バリウムとビスマスフェライト(BiFe3)との固溶体(BFBT)等の粒子が例示される。
圧電体粒子26の粒径を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
圧電体層12中における圧電体粒子26の体積分率は、30~80%が好ましく、50~80%がより好ましい。
マトリックス24と圧電体粒子26との量比を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
圧電体層12の厚さは、8~300μmが好ましく、8~200μmがより好ましく、10~150μmがさらに好ましく、15~100μmが特に好ましい。
圧電体層12の厚さを、上記範囲とすることにより、剛性の確保と適度な柔軟性との両立等の点で好ましい結果を得ることができる。
例えば、圧電体層12は、後述するように、圧電体層12を形成するための塗料を用いて形成する。この塗料は、有機溶媒に、マトリックス24となる高分子材料と圧電体粒子26とを投入して、攪拌することで調製する。この塗料の調製の際の攪拌時に、攪拌を行う金属製のプロペラが破損して、塗料中に混入してしまい、金属不純物として圧電体層12中に混入する場合がある。
従って、圧電体層12は、このような金属不純物の量が少ないのが好ましい。具体的には、圧電体層12中における金属不純物の量は、200ppm以下が好ましく、100ppm以下がより好ましく、全く含まないのがさらに好ましい。
言い換えれば、本発明の圧電フィルム10を構成する積層フィルムは、圧電体層12の両面を電極対、すなわち、第1電極層14および第2電極層16で挟持し、さらに、第1保護層18および第2保護層20で挟持してなる構成を有する。
このように、第1電極層14および第2電極層16で挾持された領域は、印加された電圧に応じて駆動される。
従って、本発明の圧電フィルム10における第1および第2には、技術的な意味は無く、また、実際の使用状態とは無関係である。
貼着剤は、接着剤でも粘着剤でもよい。また、貼着剤は、圧電体層12から圧電体粒子26を除いた高分子材料すなわちマトリックス24と同じ材料も、好適に利用可能である。なお、貼着層は、第1電極層14側および第2電極層16側の両方に有してもよく、第1電極層14側および第2電極層16側の一方のみに有してもよい。
第1保護層18と第2保護層20とは、配置位置が異なるのみで、構成は同じである。従って、以下の説明においては、第1保護層18および第2保護層20を区別する必要がない場合には、両部材をまとめて、保護層ともいう。
保護層の剛性が高過ぎると、圧電体層12の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれる。そのため、機械的強度およびシート状物としての良好なハンドリング性等が要求される場合を除けば、保護層は、薄いほど有利である。
例えば、圧電体層12の厚さが50μmで第1保護層18および第2保護層20がPETからなる場合、第1保護層18および第2保護層20の厚さはそれぞれ、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、中でも25μm以下とするのが好ましい。
しかしながら、第1電極層14および第2電極層16の保護、圧電体層12の保護、および、圧電フィルムの取り扱い性(ハンドリング性)等を考慮すると、本発明の圧電フィルムは、第1保護層18または第2保護層20を有するのが好ましく、第1保護層18および第2保護層20の両方を有するのが好ましい。
中でも、銅、アルミニウム、金、銀、白金、および、酸化インジウムスズは、好適に例示される。その中でも、導電性、コストおよび可撓性等の観点から銅がより好ましい。
中でも特に、圧電フィルム10の可撓性が確保できる等の理由で、真空蒸着によって成膜された銅およびアルミニウム等の薄膜は、電極層として、好適に利用される。その中でも特に、真空蒸着による銅の薄膜は、好適に利用される。
ここで、上述した保護層と同様に、電極層の剛性が高過ぎると、圧電体層12の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれる。そのため、電極層は、電気抵抗が高くなり過ぎない範囲であれば、薄いほど有利である。
例えば、保護層がPET(ヤング率:約6.2GPa)で、電極層が銅(ヤング率:約130GPa)からなる組み合わせの場合、保護層の厚さが25μmだとすると、電極層の厚さは、1.2μm以下が好ましく、0.3μm以下がより好ましく、0.1μm以下とするのがさらに好ましい。
このような圧電フィルム10は、動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接(Tanδ)が0.1以上となる極大値が常温に存在するのが好ましい。
これにより、圧電フィルム10が外部から数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けたとしても、歪みエネルギーを効果的に熱として外部へ拡散できるため、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生するのを防ぐことができる。
これにより、常温で圧電フィルム10が貯蔵弾性率(E’)に大きな周波数分散を有することができる。すなわち、20Hz~20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の振動に対しては柔らかく振る舞うことができる。
これにより、圧電フィルム10が可撓性および音響特性を損なわない範囲で、適度な剛性と機械的強度を備えることができる。
これにより、圧電フィルム10を用いたスピーカーの周波数特性が平滑になり、スピーカー(圧電フィルム10)の曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくできる。
ここで、本発明の圧電フィルム10は、端部における第1電極層14と第2電極層16との厚さ方向の距離dが、圧電体層12の厚さtに対して、40%以上である。なお、厚さ方向とは、言い換えれば、圧電体層12と、第1電極層14および第2電極層16と、第1保護層18および第2保護層20との積層方向である。
本発明の圧電フィルム10は、このような構成を有することにより、端部における第1電極層14と第2電極層16とのショート(短絡)を好適に防止できる。
すなわち、大判のシート状物から所望の形状のカットシートを切り出す際には、例えば、カッター刃による切断、および、金型による打ち抜き等が用いられる。この切断では、切り出されるカットシートの切断部には剪断応力が掛かり、降伏応力が掛かった時点で、シートが切断(裁断)される。
そのため、本発明の圧電フィルム10の端部(端面/切断面)では、剪断応力による塑性変形、いわゆるダレが生じて、図1に概念的に示すように、第1電極層14と第2電極層16とが近接してしまい、ショートが生じやすくなる。
ところが、高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む圧電体層、すなわち、高分子複合圧電体層の両面に電極層を設けた圧電フィルムでは、切断条件によっては、実際の放電は、それよりも大幅に低い電圧で発生する。
この延長上にあると考えられるショートの発生現象について、本発明者は、さらに検討を重ねた。その結果、カットシート状の圧電フィルムのショートは、切断時に生じる電極層のバリ、および、切断で生じた電極層のカス(切れカス)が、切断面すなわち圧電フィルムの端面に付着することに原因があることを見出した。
例えば、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の圧電材料を圧電体層として用いる、一般的な圧電フィルムであれば、電極層のバリおよびカスによる影響は、少ない。従って、圧電体層を厚くすることで、ショートを回避することも可能である。
これに対して、高分子複合圧電体層は、高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含むため、PVDF等からなる圧電体層に比して、硬く、かつ、脆い。そのため、高分子複合圧電体層を電極層で挟持した圧電フィルムでは、切断時にカッター刃および打ち抜き金型等に掛かる負担が大きく、また、振動も生じやすく、一般的な圧電フィルムよりも、電極層のバリおよびカスが多量に生成されてしまう。
そのため、高分子複合圧電体層を電極層で挟持した圧電フィルムでは、電極層のバリおよびカスが端面に多量に付着してしまう。その結果、圧電フィルムの端面における電極間距離が、実際の電極層同士の距離に比して、実質的に非常に短くなってしまう。また、高分子圧電体層の場合には、圧電体層を厚くしても、その分、切断長が長くなり、バリおよびカスの生成量が増えるので、解決策にはならない。すなわち、高分子複合圧電体層を電極層で挟持した圧電フィルムでは、単純に電極層間の距離を長くしても、ショートの解決策にはならない。
切断時におけるバリおよびカスの生成量は、切断を行うカッター刃等の切れ味に関係する。すなわち、切断時におけるバリおよびカスの生成量は、切断時におけるカッター刃および金型等の切れ味が良いほど、少ない。
一方で、切断による圧電フィルム端部における塑性変形の大きさは、切断を行うカッター刃等の切れ味に関係する。カッター刃等の切れ味が良い場合には、端部の塑性変形は小さい。従って、カッター刃等の切れ味が良い場合には、圧電体層の厚さと、端部における電極層の距離との差は小さくなる。
本発明者の検討によれば、圧電フィルムの端部における電極層の厚さ方向の距離を、高分子複合圧電体層の厚さに対して40%以上とすることにより、端面への電極層のバリおよびカスの付着量を十分に少なくして、圧電体層が薄い場合であっても、電極層のショートを防止するのに必要な絶縁性を確保できる。
以下の説明では、端部(裁断部)における第1電極層14と第2電極層16との厚さ方向の距離を『距離d』、圧電体層12の厚さを『厚さt』、厚さtに対する距離dの比を『比率p』とも言う。
本発明の圧電フィルム10は、このような構成を有することにより、カットシート状の圧電フィルムにおいて、端部における第1電極層14と第2電極層16とのショートを防止して、安定して適正に作動することが可能である。また、本発明の圧電フィルム10によれば、比率pが40%未満となった場合には、刃の交換、刃の調節、刃の研磨、および、刃のメンテナンス等を行うことで、適正な生産管理を行うことも可能になる。
比率pは、50%以上であるのが好ましい。
この点を考慮すると、比率pは、最大95%となる。
一例として、EDS(Energy dispersive X-ray spectrometry、エネルギー分散型X線分析装置((EDX))を搭載したSEM(Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡)を用いて、圧電フィルム10の端面すなわち切断面の端部を観察して、電極層を形成する材料の元素マッピングを行って測定する方法が例示される。SEMおよびEDXは、市販品を用いればよい。一例として、SEMは日立ハイテクノロジーズ社製のSU8220が、EDSは、BRUKER社製のXFash 5060FQが、それぞれ、例示される。
次いで、元素分析の結果から、図2の下段に概念的に示すように、第1電極層14および第2電極層16の形成材料の元素マッピングを行い、マッピング結果の画像を得る。例えば、第1電極層14および第2電極層16の形成材料が銅である場合には、元素分析の結果から銅マッピングを行い、銅マッピングの結果の画像を得る。
あるいは、後述する圧電フィルム10の製造工程(例えば図5の状態)において、圧電体層12を形成した時点で、公知の方法で圧電体層12の厚さtを測定してもよい。あるいは、後述する圧電フィルム10の製造工程において、圧電体層12となる塗料の塗布厚および組成から、圧電体層12の厚さtを算出してもよい。あるいは、圧電体層12を形成した時点(例えば図5の状態)で、全厚を測定して、その後、一部で圧電体層12を除去して、厚さを測定し、その差から、圧電体層12の厚さtを求めてもよい。
圧電フィルム10を樹脂に包埋する。樹脂による包埋は、圧電フィルム10の切断面から5mm以上、樹脂で包埋するように行うのが好ましい。包埋に用いる樹脂は、圧電フィルム10の形成材料および大きさ(最大面の面積、厚さ)等に応じて、適宜、設定すればよい。なお、包埋に用いる樹脂は、必要に応じて、複数種を混合して用いてもよい。
圧電フィルム10を樹脂に包埋したら、樹脂に包埋した圧電フィルム10を、任意の場所で直線状に切断する。切断は、ミクロトーム等を使う方法の公知の方法で行えばよい。
なお、切断は、切断面の長手方向の中心が、圧電フィルム10の全ての端部(端面)から5mm以上、内側となる位置で行うのが好ましい。
次いで、必要に応じて切断面を研磨する。研磨は、公知の方法で行えばよい。
さらに、切断面の長手方向の中心部において、上述したSEM-EDSによる第1電極層14および第2電極層16の形成材料の元素マッピングを行う。次いで、元素マッピングの画像から、切断面の長手方向の中心で、第1電極層14の内面と第2電極層16の内面との厚さ方向の距離を測定し、この距離を、その切断面における圧電フィルムの厚さとする。これにより、圧電フィルム10の切断面において、上述した塑性変形(ダレ)の影響を受けることなく、圧電体層12の厚さtを測定できる。
このような圧電体層12の切断面における厚さの測定を、任意の5断面で行い、その平均値を、測定対象となる圧電フィルム10の圧電体層12の厚さtとする。
なお、この樹脂による包埋を行う方法は、第1電極層14と第2電極層16との厚さ方向の距離dの測定にも利用可能である。すなわち、距離dの測定位置を含むように圧電フィルムを端部より5mm以上包埋して、ミクロトームを用いた切断、および、必要に応じて研磨を行い、カットシート状の圧電フィルム10の個々の端面(切断面)に対して、SEM-EDSを用いて、上述のようにして距離dを測定すればよい。
p[%]=(d/t)×100
すなわち、圧電フィルム10が矩形である場合には、4か所の角部に対して、合計で8か所の圧電フィルム10の端部の比率pが測定できる。
いずれの形状であっても、距離dと、厚さtとの比率p[%]は、端部すなわち切断面をSEM-EDSで観察して、電極の形成材料の元素マッピングを行う、上述の方法で測定すればよい。
本発明においては、圧電フィルムが多角形の場合には、全ての角部を測定対象として、図3に示すように2方向から比率pを測定し、全ての比率p(角部の数×2か所)の平均値を、圧電フィルム10における比率pとする。なお、多角形とは、面取り等によって角部が曲線状になっている場合も含む。また、圧電フィルムが円形および楕円形などの多角形以外の場合には、外周を等分した8か所において比率pを測定し、その平均値を、圧電フィルム10における比率pとする。
まず、図4に示す、第2保護層20の表面に第2電極層16が形成されたシート状物34を準備する。さらに、図6に概念的に示す、第1保護層18の表面に第1電極層14が形成されたシート状物38を準備する。
あるいは、保護層の上に銅薄膜等が形成された市販品をシート状物を、シート状物34および/またはシート状物38として利用してもよい。
シート状物34およびシート状物38は、同じものでもよく、異なるものでもよい。
一例として、まず、有機溶媒に、上述したシアノエチル化PVA等の高分子材料を溶解し、さらに、PZT粒子等の圧電体粒子26を添加し、攪拌して塗料を調製する。
有機溶媒には制限はなく、ジメチルホルムアミド(DMF)、メチルエチルケトン、および、シクロヘキサノン等の各種の有機溶媒が利用可能である。
シート状物34を準備し、かつ、塗料を調製したら、この塗料をシート状物34にキャスティング(塗布)して、有機溶媒を蒸発して乾燥する。これにより、図5に示すように、第2保護層20の上に第2電極層16を有し、第2電極層16の上に圧電体層12を積層してなる積層体36を作製する。
あるいは高分子材料が加熱溶融可能な物であれば、高分子材料を加熱溶融して、これに圧電体粒子26を添加してなる溶融物を作製し、押し出し成形等によって、図4に示すシート状物34の上にシート状に押し出し、冷却することにより、図5に示すような、積層体36を作製してもよい。
マトリックス24に、これらの高分子圧電材料を添加する際には、上記塗料に添加する高分子圧電材料を溶解すればよい。あるいは、加熱溶融した常温で粘弾性を有する高分子材料に、添加する高分子圧電材料を添加して加熱溶融すればよい。
周知のように、カレンダ処理とは、加熱プレスおよび加熱ローラ等を用いて、被処理面を加熱しつつ押圧して、平坦化等を施す処理である。
圧電体層12の分極処理の方法には制限はなく、公知の方法が利用可能である。例えば、分極処理を行う対象に、直接、直流電界を印加する、電界ポーリングが例示される。なお、電界ポーリングを行う場合には、分極処理の前に、第1電極層14を形成して、第1電極層14および第2電極層16を利用して、電界ポーリング処理を行ってもよい。
また、本発明の圧電フィルム10においては、分極処理は、圧電体層12の面方向ではなく、厚さ方向に分極を行うのが好ましい。
さらに、この積層体を、第1保護層18および第2保護層20を挟持するようにして、加熱プレス装置および加熱ローラ等を用いて熱圧着して、積層体36とシート状物38とを貼り合わせ、図7に示すような、大判(長尺)の圧電フィルム10Lを作製する。
あるいは、積層体36とシート状物38とを、接着剤を用いて貼り合わせて、好ましくは、さらに圧着して、圧電フィルム10Lを作製してもよい。
この圧電スピーカー40は、圧電フィルム10を、電気信号を振動エネルギーに変換する振動板として用いる、平板型の圧電スピーカーである。なお、圧電スピーカー40は、マイクロフォンおよびセンサー等として使用することも可能である。
ケース42は、プラスチック等で形成される、一面が開放する薄い筐体である。筐体の形状としては、直方体状、立方体状、および、円筒状とが例示される。
また、枠体48は、中央にケース42の開放面と同形状の貫通孔を有する、ケース42の開放面側に係合する枠材である。
粘弾性支持体46は、適度な粘性と弾性を有し、圧電フィルム10を支持すると共に、圧電フィルムのどの場所でも一定の機械的バイアスを与えることによって、圧電フィルム10の伸縮運動を無駄なく前後運動(フィルムの面に垂直な方向の運動)に変換させるためのものである。粘弾性支持体46としては、一例として、羊毛のフェルトおよびPET等を含んだ羊毛のフェルトなどの不織布、ならびに、グラスウール等が例示される。
そのため、圧電スピーカー40では、粘弾性支持体46の周辺部では、粘弾性支持体46が圧電フィルム10によって下方に押圧されて厚さが薄くなった状態で、保持される。また、同じく粘弾性支持体46の周辺部において、圧電フィルム10の曲率が急激に変動し、圧電フィルム10に、粘弾性支持体46の周辺に向かって低くなる立上がり部が形成される。さらに、圧電フィルム10の中央領域は四角柱状の粘弾性支持体46に押圧されて、(略)平面状になっている。
逆に、第1電極層14および第2電極層16への駆動電圧の印加によって、圧電フィルム10が面方向に収縮すると、この収縮分を吸収するために、圧電フィルム10の立上がり部が、倒れる方向(平面に近くなる方向)に角度を変える。その結果、平面状の部分を有する圧電フィルム10は、下方に移動する。
圧電スピーカー40は、この圧電フィルム10の振動によって、音を発生する。
従って、圧電フィルム10は、図9に示すような剛性を有する平板状の圧電スピーカー40ではなく、単に湾曲状態で保持することでも、可撓性を有する圧電スピーカーとして機能させることができる。
また、上述のように、圧電フィルム10は、柔軟性および可撓性に優れ、しかも、面内に圧電特性の異方性が無い。そのため、圧電フィルム10は、どの方向に屈曲させても音質の変化が少なく、しかも、曲率の変化に対する音質変化も少ない。従って、圧電フィルム10を利用する圧電スピーカーは、設置場所の自由度が高く、また、上述したように、様々な物品に取り付けることが可能である。例えば、圧電フィルム10を、湾曲状態で洋服など衣料品およびカバンなどの携帯品等に装着することで、いわゆるウェアラブルなスピーカーを実現できる。
良好な音響特性すなわち圧電による高い伸縮性能を発現する圧電フィルム10は、複数枚を積層することにより、振動板等の被振動体を振動させる圧電振動素子としても、良好に作用する。
なお、圧電フィルム10を積層する際には、短絡(ショート)の可能性が無ければ、圧電フィルムは第1保護層18および/または第2保護層20を有さなくてもよい。または、第1保護層18および/または第2保護層20を有さない圧電フィルムを、絶縁層を介して積層してもよい。
積層した圧電フィルム10に駆動電圧を印加することで、個々の圧電フィルム10が面方向に伸縮し、各圧電フィルム10の伸縮によって、圧電フィルム10の積層体全体が面方向に伸縮する。圧電フィルム10の積層体の面方向の伸縮によって、積層体が貼着された振動板が撓み、その結果、振動板が、厚さ方向に振動する。この厚さ方向の振動によって、振動板は、音を発生する。振動板は、圧電フィルム10に印加した駆動電圧の大きさに応じて振動して、圧電フィルム10に印加した駆動電圧に応じた音を発生する。
従って、この際には、圧電フィルム10自身は、音を出力しない。
なお、十分な伸縮力を有するものであれば、1枚の圧電フィルム10を、同様のエキサイター(圧電振動素子)として用いることも可能である。
一例として、ポリエチレンテレフタレート(PET)等からなる樹脂フィルム、発泡ポリスチレン等からなる発泡プラスチック、段ボール材等の紙材、ガラス板、および、木材等が例示される。さらに、十分に撓ませることができるものであれば、振動板として、表示デバイス等の機器を用いてもよい。
貼着層には制限はなく、貼着対象となる物同士を貼着できるものが、各種、利用可能である。従って、貼着層は、粘着剤からなるものでも接着剤からなるものでもよい。好ましくは、貼着後に固体で硬い貼着層が得られる、接着剤からなる接着剤層を用いる。
以上の点に関しては、後述する長尺な圧電フィルム10を折り返してなる積層体でも、同様である。
従って、圧電フィルム10の積層体において、分極方向は、全ての圧電フィルム10で同方向であってもよく、分極方向が異なる圧電フィルムが存在してもよい。
圧電フィルム10において、圧電体層12に印加する電圧の極性は、圧電体層12の分極方向に応じたものとなる。従って、分極方向が第1電極層14から第2電極層16に向かう場合でも、第2電極層16から第1電極層14に向かう場合でも、積層される全ての圧電フィルム10において、第1電極層14の極性および第2電極層16の極性を、同極性にする。
従って、隣接する圧電フィルム10同士で、分極方向を互いに逆にすることで、隣接する圧電フィルム10の電極層同士が接触しても、接触する電極層は同極性であるので、ショートする恐れがない。
長尺な圧電フィルム10を折り返して積層した構成は、以下のような利点を有する。
すなわち、カットシート状の圧電フィルム10を、複数枚、積層した積層体では、1枚の圧電フィルム毎に、第1電極層14および第2電極層16を、駆動電源に接続する必要がある。これに対して、長尺な圧電フィルム10を折り返して積層した構成では、一枚の長尺な圧電フィルム10のみで積層体を構成できる。また、長尺な圧電フィルム10を折り返して積層した構成では、駆動電圧を印加するための電源が1個で済み、さらに、圧電フィルム10からの電極の引き出しも、1か所でよい。
さらに、長尺な圧電フィルム10を折り返して積層した構成では、必然的に、隣接する圧電フィルム10同士で、分極方向が互いに逆になる。
図4~図7に示す方法で、大判の圧電フィルムを作製した。
まず、下記の組成比で、シアノエチル化PVA(CR-V 信越化学工業社製)をジメチルホルムアミド(DMF)に溶解した。その後、この溶液に、圧電体粒子としてPZT粒子を下記の組成比で添加して、プロペラミキサー(回転数2000rpm)で攪拌して、圧電体層を形成するための塗料を調製した。
・PZT粒子・・・・・・・・・・・300質量部
・シアノエチル化PVA・・・・・・・30質量部
・DMF・・・・・・・・・・・・・・70質量部
なお、PZT粒子は、主成分となるPb酸化物、Zr酸化物およびTi酸化物の粉末を、Pb=1モルに対し、Zr=0.52モル、Ti=0.48モルとなるように、ボールミルで湿式混合してなる混合粉を、800℃で5時間、焼成した後、解砕処理したものを用いた。
シート状物の第2電極層(銅蒸着薄膜)の上に、スライドコーターを用いて、先に調製した圧電体層を形成するための塗料を塗布した。なお、塗料は、乾燥後の塗膜の膜厚が40μmになるように、塗布した。
次いで、シート状物に塗料を塗布した物を、120℃のホットプレート上で加熱乾燥することでDMFを蒸発させた。これにより、PET製の第2保護層の上に銅製の第2電極層を有し、その上に、厚さが30μmの圧電体層(高分子複合圧電体層)を有する積層体を作製した。
次いで、積層体とシート状物との積層体を、ラミネータ装置を用いて、温度120℃で熱圧着することで、複合圧電体と第1電極層とを貼着して接着して、図7に示すような大判の圧電フィルムを作製した。
なお、大判の圧電フィルムは、この圧電体層の厚さが30μmの圧電フィルムに加え、圧電体層を形成するための塗料を塗布厚を変更することで、圧電体層の厚さが60μmの圧電フィルムおよび圧電体層の厚さが140μmの圧電フィルムも作製した。
作製した圧電フィルムを、使用するカッター刃および金型を、種々、変更して、210×300mmに切り出して、カットシート状の圧電フィルムを作製した。
作製した各圧電フィルムについて、端部における第1電極層と第2電極層との厚さ方向の距離d、および、圧電体層の厚さtを、SEM-EDSを用いる上述した方法で測定し、距離dと厚さtとの比率p[%]を算出した。なお、SEM-EDSによる測定において、SEMは日立ハイテクノロジーズ社製のSU8220を用い、EDSは、BRUKER社製のXFash 5060FQを用いた。
なお、ケースの深さは9mmとし、グラスウールの密度は32kg/m3で、組立前の厚さは25mmとした。
A: 問題なく音が鳴った
B: 放電音がした後、音が鳴った
C: 何も音がしない(パワーアンプに過電流が流れトリップした)
結果を下記の表に示す
これに対し、比率pが40%未満の比較例は、端面すなわち切断面における電極間の絶縁性が不十分で、ショートが生じたため、音が鳴らなかったと思われる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
12 圧電体層
14 第1電極層
16 第2電極層
18 第1保護層
20 第2保護層
24 高分子マトリックス
26 圧電体粒子
34,38 シート状物
36 積層体
40 圧電スピーカー
42 ケース
46 粘弾性支持体
48 枠体
50 マイクロフォン
Claims (4)
- 高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む圧電体層と、前記圧電体層の両面に設けられる電極層とを有する、カットシート状の圧電フィルムであって、
端面における前記電極層の厚さ方向の距離が、前記圧電体層の厚さに対して40%以上、95%以下であることを特徴とする圧電フィルム。 - 前記電極層の少なくとも一方を覆う保護層を有する、請求項1に記載の圧電フィルム。
- 前記高分子材料がシアノエチル基を有する、請求項1または2に記載の圧電フィルム。
- 前記高分子材料がシアノエチル化ポリビニルアルコールである、請求項3に記載の圧電フィルム。
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